功率放大器的制造方法
【专利摘要】一种功率放大器，包括功率放大级以及阻抗转换级，该功率放大级与阻抗转换级串联而成。所述功率放大级采用差分共源共栅电路结构，所述阻抗转换级采用三阶并联谐振网络、基波谐振网络以及L型阻抗转换网络串连形成。该功率放大器具有线性和非线性两种可配置的模式，工作频段覆盖0.1GHz至1.5GHz，可以通过在不同应用场景下灵活地配置实现线性度和效率的优化。
【专利说明】功率放大器【技术领域】
[0001]本发明涉及一种射频领域的功率放大器，尤其涉及一种具有线性和非线性两种可配置工作模式的功率放大器。
【背景技术】
[0002]随着用户对多功能、高数据率、高移动性和低成本通信需求的日益增长，国际电信联盟相继推出了多种无线通信标准。这些通信标准包括蜂窝式通信标准(2G-2.5G-3G)，无线局域网通信标准(802.lla/b/g/n等)，广播通信标准(DAB，DVB, DMB等)和导航通信标准(GPS，Galileo，GL0NASS，北斗)等等。 面对种类繁多的标准，用户更希望仅通过一个终端设备就能支持不同的通信服务。
[0003]功率放大器是射频前端芯片中的关键电路模块，也是整个芯片中最消耗功耗的部分。在支持多种通信标准的射频前端芯片中，功率放大器需要同时满足不同通信标准应用并且消耗尽可能少的功耗。通常，功率放大器分为线性和非线性两种类型。线性功率放大器具有高线性度，但效率较低，一般用在非恒包络调制系统中；非线性功率放大器的效率高，但线性度差，一般用在恒包络调制系统中。针对不同的通信应用场合，功率放大器需要能够支持线性和非线性两种工作模式，通过灵活的配置实现不同应用场景下线性度和效率的折中，最大程度地降低功耗。
[0004]然而现有技术中对多模的功率放大器已经开展了大量研究，但是这些多模功率放大器仍然较难解决线性度和效率方面的折中问题，从而现有技术中的功率放大器较难能真正同时支持线性和非线性双工作模式。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，确有必要提供一种可以同时支持线性和非线性两种工作模式的功率放大器。
[0006]一种功率放大器，该功率放大器可以同时支持线性和非线性的工作模式，包括功率放大级和与该功率放大级串联的阻抗转换级；所述功率放大级采用第一差分共源共栅型电路，该第一差分共源共栅型电路包括共源晶体管以及共栅晶体管，差分信号分别从第一共源共栅型电路的共源晶体管的栅极输入，所述共栅晶体管的漏极作为该第一差分共源共栅型电路的差分输出端输出信号，该第一差分共源共栅型电路的差分输出端接电源VDD，该电源VDD为该第一差分共源共栅型电路提供偏置电流，所述共源晶体管的栅极接偏置电压VB1，所述共栅晶体管的栅极接偏置电压VB2，该阻抗转换级包括三阶并联谐振网络、基波谐振网络、L型阻抗转换网络以及变压器，所述功率放大级的每一差分输出端接一三阶并联谐振网络的一端，所述基波谐振网络的两端分别与每一路差分输出端的三阶并联谐振网络的另一端连接，然后经过所述L型阻抗变换后进入所述变压器将该阻抗转换级的差分输出信号转换为单信号输出；所述功率放大级具有线性和非线性两种工作模式，通过改变所述共源晶体管的偏置电压VBl以及共栅晶体管的偏置电压VB2来切换所述线性和非线性工作模式，在非线性工作模式时，所述共源晶体管偏置在F类放大器的开关状态，所述共栅晶体管偏置在电源电压VDD ;在线性模式时，所述共源晶体管偏置在AB类放大器的工作模式，所述共栅晶体管偏置在最小的Knee电压状态。
[0007]—种功率放大器，包括功率驱动级、功率放大级以及阻抗转换级依次串联而成，所述功率驱动级包括跨导放大级以及跨阻放大级，在所述跨导放大级中，第一差分输入信号ViP接电容CO的一端，第二差分输入信号Vin接电容C’O的一端，电容CO的另一端接电阻R2的一端同时与晶体管M5的栅极相连，电容C’ O的另一端接电阻R’ 2的一端同时与晶体管M6的栅极相连，电阻R2的另一端以及电阻R’2的另一端接偏置电压VB ;晶体管M5的源极与晶体管M6的源极连接在一起并接地，晶体管M5的漏极与晶体管M7的源极相连，晶体管M6的漏极与晶体管M8的源极相连，晶体管M7和晶体管M8的栅极相连，晶体管M7的漏极接晶体管M9的漏极并与电阻R3的一端连接，晶体管M8的漏极接晶体管MlO的漏极并与电阻R’ 3的一端连接；晶体管M9的源极与晶体管Mll的漏极相连，晶体管MlO的源极与晶体管M12的漏极相连，晶体管M9和晶体管MlO共棚极，晶体管Mll和晶体管M12共棚极；晶体管Mll的源极接电阻R3的另一端同时接电源VDD，晶体管M12的源极接电阻R’3的另一端同时接电源VDD ;晶体管M7和M8的漏极作为跨导放大级的输出端分别通过隔直通交电容C4和C’ 4连接至跨阻放大级的差分输入端；在所述跨阻放大级，晶体管M13和M14共源极并接地，晶体管M13的漏极接晶体管M15的漏极通过隔直通交电容C4接晶体管M7的漏极，晶体管M14的漏极接晶体管M16的漏极，晶体管M13与晶体管M15的栅极连接，晶体管M14与晶体管M16的栅极连接。晶体管M15的源极与晶体管M16的源极连接并接电源VDD ；晶体管M16的栅极通过隔直通交电容C’4接晶体管MlO的漏极，电阻R4连接在所述晶体管M13的栅极与漏极之间，电阻R’4连接在晶体管M14的栅极与漏极之间，晶体管M13的漏极以及晶体管M14的漏极作为该跨阻放大级的差分输出端分别通过隔直通交电容C’ 5和C5输出差分信号；所述差分信号分别作为所述功率放大级的差分输入信号；所述功率放大级由晶体管Ml、晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4构成的差分共源共栅电路结构，其中，晶体管Ml和M2共源极，晶体管M3和M4共栅极，晶体管Ml、M3与晶体管M2、M4构成差分电路结构，所述功率驱动级输出的差分信号分别输入到所述晶体管Ml和M2的栅极，该功率放大级的电路结构为:电阻Rl的一端与晶体管Ml的栅极相连，电阻R’ I的一端与晶体管M2的栅极相连，电阻Rl的另一端接偏置电压VCS，电阻R’l的另一端接偏置电压VCS ;晶体管Ml的源极与晶体管M2的源极连接并接地，晶体管Ml的漏极与晶体管M3的源极相连，晶体管M2的漏极与晶体管M4的源极相连，晶体管M3和晶体管M4的栅极相连并接偏置电压VCG，晶体管M3的漏极接电感LO的一端，晶体管M4的漏极接电感L’ O的一端，电感LO的另一端与电感L’ O的另一端相连且接电源VDD ;所述阻抗转换级采用F类功率放大器的输出负载结构，所述阻抗转换级的电路结构为:电容Cl、电容C’ 1、电感LI以及电感L’ I构成三次并联谐振网络，其中，电容Cl的一端和电感LI的一端连接且连接到晶体管M3的漏极，该电容Cl和电感LI的另一端连接且与电感L2的一端以及电容C3的一端连接，电容C’ I的一端和电感L’ I的一端连接且连接到晶体管M4的漏极，该电容C’ I和电感L’ I的另一端连接且与电感L’2的另一端以及电容C’3的一端连接，所述电感L2与电容C2并联构成基波谐振网络；电容C3、电容C’ 3以及电感L3构成L型的阻抗变换，其中，电容C3的另一端与电感L3的一端连接，电容C’ 3的另一端与电感L3的另一端连接，变压器T与电感L3并联，用于将差分输出信号转换为单信号输出，从而构成所述功率放大器，所述功率放大级具有线性和非线性两种工作模式，通过改变所述晶体管Ml和晶体管M2的偏置电压VCS以及晶体管M3和晶体管M4的偏置电压VCG来切换所述线性和非线性工作模式，在非线性工作模式时，所述晶体管Ml和晶体管M2偏置在F类放大器的开关状态，所述晶体管M3和晶体管M4偏置在电源电压VDD ;在线性模式时，所述晶体管Ml和晶体管M2偏置在AB类放大器的工作模式，所述晶体管M3和晶体管M4偏置在最小的Knee电压。
[0008]相较于现有技术，本发明所述的功率放大器由于采用上述电路结构，从而能够在不增加电路复杂度的情况下，即可同时支持线性和非线性两种工作模式，并且该功率放大器可以覆盖较宽的频段(0.1G-1.5GHz)来适应不同的通信标准应用，并且由于该功率放大器中的各个元件可配置，从而使该功率放大器的输出功率可以灵活调节，从而能够有效地提高功率放大器的效率，并降低功耗，从而可以实现功率放大器线性度和效率的优化。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明第一实施例提供的可配置无线发射机的结构功能框图。[0010]图2为本发明第一实施例提供的可配置无线发射机中模拟数字基带电路的电路结构图。
[0011]图3为本发明第一实施例提供的可配置无线发射机射频前端电路中功率放大器的电路结构图。
[0012]图4为本发明第一实施例提供的可配置无线发射机射频前端电路中包括功率驱动级的功率放大器的电路结构图。
[0013]图5为本发明第一实施例提供的可配置无线发射机射频前端电路中上变频的电路结构图。
[0014]图6为本发明第一实施例提供的使用可配置无线发射机的应用于窄带专网模式的无线发射系统的功能模块图。
[0015]图7为本发明第一实施例提供的使用可配置无线发射机的应用于宽带集群应用模式的无线发射系统的功能模块图。
[0016]图8为本发明第二实施例提供的可配置无线发射机的结构功能框图。
[0017]图9为本发明第二实施例提供的可配置无线发射机中IQ失配校准电路的电路结构图。
[0018]主要元件符号说明
【权利要求】
1.一种功率放大器，该功率放大器可以同时支持线性和非线性的工作模式，其特征在于，包括功率放大级和与该功率放大级串联的阻抗转换级； 所述功率放大级采用第一差分共源共栅型电路，该第一差分共源共栅型电路包括共源晶体管以及共栅晶体管，差分信号分别从第一共源共栅型电路的共源晶体管的栅极输入，所述共栅晶体管的漏极作为该第一差分共源共栅型电路的差分输出端输出信号，该第一差分共源共栅型电路的差分输出端接电源VDD，该电源VDD为该第一差分共源共栅型电路提供偏置电流，所述共源晶体管的栅极接偏置电压VB1，所述共栅晶体管的栅极接偏置电压VB2, 该阻抗转换级包括三阶并联谐振网络、基波谐振网络、L型阻抗转换网络以及变压器，所述功率放大级的每一差分输出端接一三阶并联谐振网络的一端，所述基波谐振网络的两端分别与每一路差分输出端的三阶并联谐振网络的另一端连接，然后经过所述L型阻抗变换后进入所述变压器将该阻抗转换级的差分输出信号转换为单信号输出； 所述功率放大级具有线性和非线性两种工作模式，通过改变所述共源晶体管的偏置电压VBl以及共栅晶体管的偏置电压VB2来切换所述线性和非线性工作模式，在非线性工作模式时，所述共源晶体管偏置在F类放大器的开关状态，所述共栅晶体管偏置在电源电压VDD ;在线性模式时，所述共源晶体管偏置在AB类放大器的工作模式，所述共栅晶体管偏置在最小的Knee电压状态。
2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大级由晶体管(Ml)、晶体管(M2)、晶体管(M3)和晶体管(M4)构成的所述第一差分共源共栅型电路，其中，晶体管(MD和(M2)共源极，晶体管(M3)和(M4)共栅极，晶体管(Ml)、(M3)与晶体管(M2)、(M4)构成差分电路，该功率放大级的电路结构为:第一差分输入信号Vip接电容(CO)的一端，第二差分输入信号Vin接电容(C’ O)的一端，电容(CO)的另一端接电阻(Rl)的一端同时与晶体管(Ml)的栅极相连，电容(C’ O)的另一端接电阻(R’ I)的一端同时与晶体管(M2)的栅极相连，电阻(Rl)的另一`端以及电阻(R’ O的另一端接偏置电压VBl ;晶体管(Ml)的源极与晶体管(M2)的源极连接并接地，晶体管(Ml)的漏极与晶体管(M3)的源极相连，晶体管(M2)的漏极与晶体管(M4)的源极相连，晶体管(M3)和晶体管(M4)的栅极相连并接偏置电压VB2，晶体管(M3)的漏极接电感(LO)的一端，晶体管(M4)的漏极接电感(L’ O)的一端，电感(LO)的另一端与电感(L’ O)的另一端相连且接电源VDD ； 所述阻抗转换级采用F类功率放大器的输出负载结构，所述阻抗转换级的电路结构为:电容(Cl)、电容(C’ I)、电感(LI)以及电感(L’ I)构成所述三次并联谐振网络，其中，电容(Cl)的一端和电感(LI)的一端连接且连接到晶体管(M3)的漏极，该电容(Cl)和电感(LI)的另一端连接且与电感(L2)的一端以及电容(C3)的一端连接，电容(C’ I)的一端和电感(L’ I)的一端连接且连接到晶体管(M4)的漏极，该电容(C’ I)和电感(L’ I)的另一端连接且与电感(L’2)的另一端以及电容(C’3)的一端连接，所述电感(L2)与电容(C2)并联构成所述基波谐振网络；电容(C3)、电容(C’ 3)以及电感(L3)构成L型的阻抗变换，其中，电容(C3)的另一端与电感(L3)的一端连接，电容(C’ 3)的另一端与电感(L3)的另一端连接，变压器(T)与电感(L3)并联，用于将差分输出信号转换为单信号输出，从而构成所述功率放大器， 所述功率放大级具有线性和非线性两种工作模式，通过改变所述晶体管(Ml)和晶体管(M2)的偏置电压VBl以及晶体管(M3)和晶体管(M4)的偏置电压VB2来切换所述线性和非线性工作模式，在非线性工作模式时，所述晶体管(Ml)和晶体管(M2)偏置在F类放大器的开关状态，所述晶体管(M3)和晶体管(M4)偏置在电源电压VDD;在线性模式时，所述晶体管(Ml)和晶体管(M2)偏置在AB类放大器的工作模式，所述晶体管(M3)和晶体管(M4)偏置在最小的Knee电压状态。
3.如权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述晶体管(Ml)和晶体管(M2)采用薄栅晶体管，所述晶体管(M3)和晶体管(M4)采用厚栅晶体管。
4 .如权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述晶体管(Ml)、(M2)、(M3)、(M4)其中至少一个包括多个并联的晶体管以实现该晶体管功率输出的可调节性，该多个晶体管的尺寸不相同，所述尺寸为晶体管栅极宽度与栅极长度的比值。
5.如权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述电感(LO)为Choke电感，所述变压器为巴伦变压器。
6.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，进一步包括一功率驱动级，该功率驱动级与所述功率放大级以及阻抗转换级依次串联而成，该功率驱动级为一宽带放大器。
7.如权利要求6所述的功率放大器，其特征在于，所述宽带放大器由跨导放大级与跨阻放大级依次串联组成。
8.如权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，所述跨导放大级包括一第二共源共栅型电路以及一电流负载镜，该电流负载镜与一电阻并联后作为该第二共源共栅型电路的负载，所述跨阻放大器采用反相器结构，该第二差分共源共栅型电路的差分输出端接该反相器结构构成所述宽带放大器。
9.一种功率放大器，其特征在于，包括功率驱动级、功率放大级以及阻抗转换级依次串联而成， 所述功率驱动级包括跨导放大级以及跨阻放大级， 在所述跨导放大级中，第一差分输入信号Vip接电容(CO)的一端，第二差分输入信号Vin接电容(C’ O)的一端，电容(CO)的另一端接电阻(R2)的一端同时与晶体管(M5)的栅极相连，电容(C’ O)的另一端接电阻(R’ 2)的一端同时与晶体管(M6)的栅极相连，电阻(R2)的另一端以及电阻(R’ 2)的另一端接偏置电压VB ;晶体管(M5)的源极与晶体管(M6)的源极连接在一起并接地，晶体管(M5)的漏极与晶体管(M7)的源极相连，晶体管(M6)的漏极与晶体管(M8)的源极相连，晶体管(M7)和晶体管(M8)的棚极相连，晶体管(M7)的漏极接晶体管(M9)的漏极并与电阻(R3)的一端连接，晶体管(M8)的漏极接晶体管(MlO)的漏极并与电阻(R’3)的一端连接；晶体管(M9)的源极与晶体管(Mll)的漏极相连，晶体管(MlO)的源极与晶体管(Ml2)的漏极相连，晶体管(M9)和晶体管(MlO)共棚极，晶体管(Mil)和晶体管(M12)共栅极；晶体管(Mll)的源极接电阻(R3)的另一端同时接电源VDD，晶体管(M12)的源极接电阻(R’ 3)的另一端同时接电源VDD ;晶体管(M7)和(M8)的漏极作为跨导放大级的输出端分别通过隔直通交电容(C4)和(C’ 4)连接至跨阻放大级的差分输入端； 在所述跨阻放大级，晶体管(M13)和(M14)共源极并接地，晶体管(M13)的漏极接晶体管(M15)的漏极通过隔直通交电容(C4)接晶体管(M7)的漏极,晶体管(M14)的漏极接晶体管(M16)的漏极，晶体管(M13)与晶体管(M15)的栅极连接，晶体管(M14)与晶体管(M16)的栅极连接。
10.晶体管(M15)的源极与晶体管(M16)的源极连接并接电源VDD;晶体管(M16)的栅极通过隔直通交电容(C’ 4)接晶体管(MlO)的漏极，电阻(R4)连接在所述晶体管(M13)的栅极与漏极之间，电阻(R’ 4)连接在晶体管(M14)的栅极与漏极之间，晶体管(M13)的漏极以及晶体管(M14)的漏极作为该跨阻放大级的差分输出端分别通过隔直通交电容(C’5)和(C5)输出差分信号；所述差分信号分别作为所述功率放大级的差分输入信号； 所述功率放大级由晶体管(Ml )、晶体管(M2)、晶体管(M3)和晶体管(M4)构成的差分共源共栅电路结构，其中，晶体管(Ml)和(M2)共源极，晶体管(M3)和(M4)共栅极，晶体管(Ml)、(M3)与晶体管(M2)、(M4)构成差分电路结构,所述功率驱动级输出的差分信号分别输入到所述晶体管(Ml)和(M2)的栅极，该功率放大级的电路结构为:电阻(Rl)的一端与晶体管(Ml)的栅极相连，电阻(R’ I)的一端与晶体管(M2)的栅极相连，电阻(Rl)的另一端接偏置电压VCS，电阻(R’ I)的另一端接偏置电压VCS ;晶体管(Ml)的源极与晶体管(M2)的源极连接并接地，晶体管(Ml)的漏极与晶体管(M3)的源极相连，晶体管(M2)的漏极与晶体管(M4)的源极相连，晶体管(M3)和晶体管(M4)的栅极相连并接偏置电压VCG，晶体管(M3)的漏极接电感(LO)的一端，晶体管(M4)的漏极接电感(L’ O)的一端，电感(LO)的另一端与电感(L’ O)的另一端相连且接电源VDD ； 所述阻抗转换级采用F类功率放大器的输出负载结构，所述阻抗转换级的电路结构为:电容(Cl)、电容( C’ I)、电感(LI)以及电感(L’ I)构成三次并联谐振网络，其中，电容(Cl)的一端和电感(LI)的一端连接且连接到晶体管(M3)的漏极，该电容(Cl)和电感(LI)的另一端连接且与电感(L2)的一端以及电容(C3)的一端连接，电容(C’ I)的一端和电感(L’ I)的一端连接且连接到晶体管(M4)的漏极，该电容(C’ I)和电感(L’ I)的另一端连接且与电感(L’2)的另一端以及电容(C’3)的一端连接，所述电感(L2)与电容(C2)并联构成基波谐振网络；电容(C3)、电容(C’ 3)以及电感(L3)构成L型的阻抗变换，其中，电容(C3)的另一端与电感(L3)的一端连接，电容(C’ 3)的另一端与电感(L3)的另一端连接，变压器(T)与电感(L3)并联，用于将差分输出信号转换为单信号输出，从而构成所述功率放大器， 所述功率放大级具有线性和非线性两种工作模式，通过改变所述晶体管(Ml)和晶体管(M2)的偏置电压VCS以及晶体管(M3)和晶体管(M4)的偏置电压VCG来切换所述线性和非线性工作模式，在非线性工作模式时，所述晶体管(Ml)和晶体管(M2)偏置在F类放大器的开关状态，所述晶体管(M3)和晶体管(M4)偏置在电源电压VDD;在线性模式时，所述晶体管(Ml)和晶体管(M2)偏置在AB类放大器的工作模式，所述晶体管(M3)和晶体管(M4)偏置在最小的Knee电压状态。
11.如权利要求9所述的功率放大器，其特征在于，每个所述晶体管(Ml)、晶体管(M2)、晶体管(M3)和晶体管(M4)由三个相互并联的MOS晶体管构成，该三个相互并联的MOS晶体管的尺寸比为1:2:3。
12.如权利要求9所述的功率放大器，其特征在于，每个所述晶体管(M13)、晶体管(M14)、晶体管(M15)和晶体管(M16)由三个相互并联的MOS晶体管构成，该三个相互并联的MOS晶体管的尺寸比为1:1:2。
13.如权利要求9所述的功率放大器，其特征在于，所述跨导放大级中的电阻(R3)与跨阻放大级晶体管M13-M16跨导gm13，14、gm15；16需满足关系式(I):
14.如权利要求9所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器的功率放大级的直流电流和基波电流表示成导通角α的函数如下
15.如权利要求13所述的功率放大器，其特征在于，所述线性工作模式时的导通角为2450。
16.如权利要求9所述的功率放大器，其特征在于，所述晶体管Μ1-Μ16采用CMOS工艺的深N阱晶体管实现。
【文档编号】H03F3/45GK103532503SQ201310427066
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】池保勇, 殷韵, 王志华 申请人:清华大学